模块化多电平换流阀损耗简便计算方法与流程

1.本发明属于电力系统输变电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流阀损耗简便计算方法。


背景技术：

2.柔性直流输电是目前高压直流输电领域的研究热点，柔性直流换流站损耗是柔性直流输电系统的一个重要技术指标，关系着系统输电效率的高低。目前柔性直流输电的换流阀多采用模块化多电平结构，换流阀的损耗占整个换流站损耗的大部分，对换流阀开关器件选型及其散热系统设计有重要的影响。因此，有必要对模块化多电平换流阀损耗进行计算，一方面可用于指导换流阀及其散热系统设计，另一方面也可以反映柔直系统输电效率。
3.目前已有的模块化多电平换流阀损耗计算多采用电磁暂态仿真的方式获得较为精确的损耗值，过程复杂耗时较长，该方法适用于工程后期需精确计算换流阀损耗时。但是，在模块化多电平柔性直流输电工程的不同阶段，损耗计算的精度和速度要求有着显著差异。在工程设计初期，需要对各种工况下的损耗进行初步评估，以完成对系统整体传输效率较为准确的评估，此时损耗计算要求具有较高的计算速度以完成大量的重复计算工作。
4.因此有必要提出一种模块化多电平换流阀损耗简便计算方法，便于在工程设计初期对换流阀损耗进行初步估算。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种模块化多电平换流阀损耗简便计算方法。
6.本发明的目的是通过如下措施来达到的：模块化多电平换流阀损耗简便计算方法，其特征在于包括：
7.(1)模块化多电平换流阀的损耗主要由igbt即绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)和二极管的导通损耗和开关损耗两部分组成。
8.(2)导通损耗的计算方法如下：
9.根据系统单极传输的有功功率和极线额定电压求得直流电流i
dcn
：
[0010][0011]
式中：
[0012]
un——极线额定电压；
[0013]
p——单极传输的有功功率。
[0014]
柔直变压器阀侧交流相电流有效值iv为：
[0015][0016]
式中：
[0017]
uv——柔直变压器阀侧线电压有效值；
[0018]
q——柔性直流换流站单极传输的无功功率。
[0019]
二倍频环流被充分抑制时，桥臂电流i
arm
表达式为：
[0020][0021]
ω——电源角频率；
[0022]
iv——柔直变压器阀侧交流相电流有效值。
[0023]
则桥臂电流有效值i
arm_rms
为：
[0024][0025]
桥臂电流平均值i
arm_avr
计算式为：
[0026][0027]
将式(3)代入式(5)可得：
[0028][0029]
其中：
[0030][0031]
经过对半桥拓扑子模块的导通过程分析，可知整流工况下二极管和igbt导通时间比例约为4:1，则有：
[0032][0033]
式中：
[0034]v0d
、v
0t
——二极管和igbt的阈值电压；
[0035]r0d
、r
0t
——二极管和igbt的斜率电阻；
[0036]v0rec
、r
0rec
——整流站开关器件等效阈值电压和斜率电阻。
[0037]
整流工况下子模块导通损耗p
consm_rec
表示为：
[0038][0039]
逆变工况igbt和二极管导通时间比例约为4:1，则有：
[0040][0041]
式中：
[0042]v0inv
、r
0inv
——逆变站开关器件等效阈值电压和斜率电阻。
[0043]
逆变工况下子模块导通损耗p
consm_inv
表示为：
[0044][0045]
(3)igbt及二极管开关损耗计算方法如下：
[0046]
目前采用模块化多电平技术的柔性直流输电工程换流阀均采用最近电平调制方式，其开关频率较低，其开关频率分布范围大约在90hz～110hz范围内。因此，在简便计算中考虑取100hz作为计算的开关频率。子模块开关损耗功率p
smsw
计算式为：
[0047]
p
smsw
＝f
sm
·
(e
on
e
off
e
rec
)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0048]
式中：
[0049]fsm
——子模块开关器件的开关频率；
[0050]eon
——igbt开通损耗；
[0051]eoff
——igbt关断损耗；
[0052]erec
——二极管反向恢复损耗。
[0053]
对开关能量关于器件电流进行二次多项式拟合，可得到：
[0054][0055]
式中：
[0056]ion_t
,i
off_t
——igbt开通时刻，关断时刻的电流；
[0057]ioff_d
——二极管关断时的电流；
[0058]
a1、b1、c1、a2、b2、c2——可由igbt器件开关能量特性曲线拟合得到；
[0059]
a3、b3、c3——可由二极管器件反向恢复能量特性曲线拟合得到；
[0060]
用平均电流i
arm_avr
替代不连续的igbt及二极管电流，最终得到：
[0061][0062]
(4)柔性直流换流站模块化多电平换流阀损耗
[0063]
将以上两项损耗相加，可得整流站换流阀子模块损耗p
smloss_rec
和逆变站换流阀子模块损耗p
smloss_inv
为：
[0064]
[0065]
则整流站换流阀总损耗p
loss_rec
和逆变站换流阀总损耗p
loss_inv
为：
[0066][0067]
式中：
[0068]narm_rec
——整流站桥臂子模块数；
[0069]narm_inv
——逆变站桥臂子模块数。
[0070]
本发明提出一种模块化多电平换流阀损耗简便计算方法，在获得柔性直流输电系统主回路参数的基础上，即可进行换流阀损耗计算，无需建立系统电磁暂态仿真模型，便于在工程设计初期对换流阀损耗进行初步估算。该计算方法相较于目前常用的模块化多电平换流阀损耗电磁暂态仿真计算方法，具有计算方法简便、计算过程快速、计算原理易于理解和掌握等优点。
[0071]
本发明采用纯解析的计算方法，忽略结温变化对损耗的影响，采用额定工作温度下的器件参数；忽略实际开关过程中的电流变化，利用电流有效值、平均值和平均开关频率计算开关损耗。本技术中的方法的优化在于引入了等效器件参数，在总结了半桥型子模块各器件的导通规律后，根据导通时间比例计算等效器件参数，统一了igbt和二极管器件的交替导通过程，在一定程度上保证了计算精度。
具体实施方式
[0072]
下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0073]
本发明的目的是通过如下措施来达到的：模块化多电平换流阀损耗简便计算方法，其特征在于包括：
[0074]
模块化多电平换流阀的损耗主要由igbt即绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)和二极管的导通损耗和开关损耗两部分组成。
[0075]
导通损耗的计算方法如下：
[0076]
根据系统单极传输的有功功率和极线额定电压求得直流电流i
dcn
：
[0077][0078]
式中：
[0079]
un——极线额定电压；
[0080]
p——单极传输的有功功率。
[0081]
柔直变压器阀侧交流相电流有效值iv为：
[0082][0083]
式中：
[0084]
uv——柔直变压器阀侧线电压有效值；
[0085]
q——柔性直流换流站单极传输的无功功率。
[0086]
二倍频环流被充分抑制时，桥臂电流i
arm
表达式为：
[0087][0088]
ω——电源角频率；
[0089]
iv——柔直变压器阀侧交流相电流有效值。
[0090]
则桥臂电流有效值i
arm_rms
为：
[0091][0092]
桥臂电流平均值i
arm_avr
计算式为：
[0093][0094]
将式(3)代入式(5)可得：
[0095][0096]
其中：
[0097][0098]
经过对半桥拓扑子模块的导通过程分析，可知整流工况下二极管和igbt导通时间比例约为4:1，则有：
[0099][0100]
式中：
[0101]v0d
、v
0t
——二极管和igbt的阈值电压；
[0102]r0d
、r
0t
——二极管和igbt的斜率电阻；
[0103]v0rec
、r
0rec
——整流站开关器件等效阈值电压和斜率电阻。
[0104]
整流工况下子模块导通损耗p
consm_rec
表示为：
[0105][0106]
逆变工况igbt和二极管导通时间比例约为4:1，则有：
[0107][0108]
式中：
[0109]v0inv
、r
0inv
——逆变站开关器件等效阈值电压和斜率电阻。
[0110]
逆变工况下子模块导通损耗p
consm_inv
表示为：
[0111]
[0112]
(3)igbt及二极管开关损耗计算方法如下：
[0113]
目前采用模块化多电平技术的柔性直流输电工程换流阀均采用最近电平调制方式，其开关频率较低，其开关频率分布范围大约在90hz～110hz范围内。因此，在简便计算中考虑取100hz作为计算的开关频率。子模块开关损耗功率p
smsw
计算式为：
[0114]
p
smsw
＝f
sm
·
(e
on
e
off
e
rec
)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0115]
式中：
[0116]fsm
——子模块开关器件的开关频率；
[0117]eon
——igbt开通损耗；
[0118]eoff
——igbt关断损耗；
[0119]erec
——二极管反向恢复损耗。
[0120]
对开关能量关于器件电流进行二次多项式拟合，可得到：
[0121][0122]
式中：
[0123]ion_t
,i
off_t
——igbt开通时刻，关断时刻的电流；
[0124]ioff_d
——二极管关断时的电流；
[0125]
a1、b1、c1、a2、b2、c2——可由igbt器件开关能量特性曲线拟合得到；
[0126]
a3、b3、c3——可由二极管器件反向恢复能量特性曲线拟合得到；
[0127]
用平均电流i
arm_avr
替代不连续的igbt及二极管电流，最终得到：
[0128][0129]
(4)柔性直流换流站模块化多电平换流阀损耗
[0130]
将以上两项损耗相加，可得整流站换流阀子模块损耗p
smloss_rec
和逆变站换流阀子模块损耗p
smloss_inv
为：
[0131][0132]
则整流站换流阀总损耗p
loss_rec
和逆变站换流阀总损耗p
loss_inv
为：
[0133][0134]
式中：
[0135]narm_rec
——整流站桥臂子模块数；
[0136]narm_inv
——逆变站桥臂子模块数。
[0137]
其它未详细说明的部分均为现有技术。